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表面沉积铜薄膜多孔硅的制备及其发光特性研究

作　者: 马婷婷
导　师: 马文会
学　校: 昆明理工大学
专　业: 冶金物理化学
关键词: 多孔硅孔隙率光致发光沉积铜膜
分类号: TB383.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

21世纪是高度信息化的时代,微电子信息处理的速度得到迅速的发展但逐步趋向极限。要使信息处理的速度有所突破,光电集成是必由之路。众所周知,在微电子领域,硅材料发挥着广泛而重要的作用,是集成电路的基础材料。但是,室温下硅的禁带宽度为1.12eV,是间接带隙半导体,电子不能直接由导带底跃迁到价带顶发出光子,且相应的发光波长为1.141μm,在近红外区,所以硅材料在光电子学领域中的应用受到一定的限制。但是由于硅的资源广,价格低廉,纯度高,加上硅平面工艺精细,因此,人们仍然没有放弃实现硅基光电子集成的努力,为了使硅能够发光,人们尝试了多种方法。目前为止这些研究包括了硅基超晶格发光材料、硅基异质外延发光材料、硅碳合金和多孔硅等。本文采用双槽电化学方法制备多孔硅,并采用原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)等方法对多孔硅表面形貌进行表征,深入分析腐蚀时间对多孔硅表面形貌、孔隙率、孔层厚度及光致发光性能等的影响,进而为多孔硅的形成机理研究打下基础。实验发现多孔硅的孔隙率随着腐蚀时间的延长,即由10min、20min、30min、40min时的孔隙率48%、50%、60%、67%,变至50mmin和60mmin时的55.6%和54%,其中腐蚀时间为40min时,达到了最大为67%；同样,形成的多孔硅孔层厚度与腐蚀时间的关系由其实验数据(1.25μm,1.3μm,1.5μm,1.6μm,1.58μm,1.4μm)可知,随着腐蚀时间的延长,孔层厚度先增大后减小,同样在腐蚀时间为40mmin时,其孔层厚度达到最大1.6μm。论文还在第三章对多孔硅进行光致发光性能检测,实验发现其光致发光谱(PL谱)随着腐蚀时间的延长先增强后减弱,由10mmin时26.18增至40min时的72.09,最后降至60min时的16.3。同时,孔隙率和光致发光谱随腐蚀时间的变化趋势证实了提高孔隙率是提高多孔硅发光强度的必要条件。为了提高多孔硅的发光强度和稳定性,避免单一多孔硅的自然氧化,研究人员对不同种类的金属沉积多孔硅进行研究,研究表明金属沉积多孔硅材料对其结构和性能的改善具有重要意义。在金属沉积多孔硅中,由于铜是最常见的金属之一,且在含有氟离子的水溶液中更易沉积,所以,在微电子领域中,被广泛研究并有望取代铝,成为金属中最佳的选择。本文利用固液界面反应在多孔硅表面沉积铜,通过对沉积铜前后多孔硅形貌的比较,发现沉积铜后的多孔硅主要有两种情形存在,表面为管状和表面为非管状的薄膜。通过对沉积铜膜前后多孔硅的光致发光谱的测量发现,表面被覆的铜膜为管状的多孔硅(腐蚀40min,沉积1min)的光致发光强度达到821.2,比沉积前提高了40%,并且放置四个月其光致发光谱基本未变化,而表面被覆的铜膜为薄膜而为非管状的多孔硅(腐蚀60min,沉积1min)的光致发光谱达到224.7,比沉积前提高了20%。本文用X射线光电子能谱(XPS)和红外傅里叶光谱(FTIR)对相关样品进行了测试分析得出结论：在多孔硅表面形成的纳米薄层铜膜,作为多孔硅表面SiO2中的杂质和缺陷以及铜膜的表面共振激发有利于光致发光的增强,且铜膜的形成抑制了形成的硅纳米线(柱)表面的自然氧化,并对Si-H键有稳定作用,从而提高了发射光谱的稳定性。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-27
  1.1 多孔硅的研究现状  9-11
  1.2 多孔硅的制备方法  11-20
    1.2.1 电化学腐蚀法(阳极腐蚀法)  11-16
    1.2.2 光化蚀法学腐  16-17
    1.2.3 刻蚀法  17-18
    1.2.4 水热腐蚀法  18-20
  1.3 提高多孔硅发光强度和稳定性的方法  20-22
    1.3.1 表面氧化处理  20-21
    1.3.2 金属钝化多孔硅表面  21-22
    1.3.3 粒子辐照  22
  1.4 多孔硅的应用  22-25
    1.4.1 多孔硅在光电探测器方面的应用  22-23
    1.4.2 多孔硅在光电集成器件中的应用  23-24
    1.4.3 多孔硅在传感技术中的应用  24
    1.4.4 多孔硅在太阳能电池中的应用  24-25
  1.5 本论文研究的内容和意义  25-26
  1.6 本论文研究的创新点  26-27
第二章实验部分  27-31
  2.1 实验所需原材料以及仪器  27-28
  2.2 材料性能表征  28-31
第三章多孔硅制备及发光特性研究  31-46
  3.1 电解池实验装置和实验方法  31-34
    3.1.1 电解池实验装置  31
    3.1.2 实验方法  31-33
    3.1.3 保存方法  33-34
  3.2 结果与讨论  34-39
    3.2.1 多孔硅表面形貌的表征  34-38
    3.2.2 多孔硅孔隙率的研究  38
    3.2.3 多孔硅层厚度的研究  38-39
  3.3 多孔硅的形成机理模型  39-41
    3.3.1 Beal耗尽模型  39-40
    3.3.2 扩散限制模型  40
    3.3.3 量子理论模型  40-41
  3.4 多孔硅光致发光性能研究  41-43
  3.5 多孔硅的光致发光机理模型  43-45
    3.5.1 量子限制效应模型  43
    3.5.2 表面态发光模型  43
    3.5.3 复合发光模型  43-44
    3.5.4 硅-氢键或多硅烷的发光  44-45
  3.6 本章小结  45-46
第四章表面沉积铜的多孔硅发光特性研究  46-60
  4.1 实验方法  46-48
    4.1.1 实验条件的设定  46-47
    4.1.2 实验  47-48
  4.2 表面沉积铜多孔硅的表面形貌  48-49
  4.3 沉积铜后多孔硅的光致发光性能  49-53
  4.4 发光机理  53-58
    4.4.1 XPS研究  53-57
    4.4.2 FTIR研究  57-58
  4.5 本章小结  58-60
第五章结论与展望  60-63
  5.1 结论  60-61
  5.2 展望  61-63
致谢  63-64
参考文献  64-71
附录攻读硕士期间的学术成果  71

表面沉积铜薄膜多孔硅的制备及其发光特性研究

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